Гидравлический двухвальный диспергатор: Руководство по смешиванию
Партия дисперсии, которая работает дольше, чем ожидалось, часто выглядит как проблема с рецептурой. Пигмент не смачивается, наполнитель образует комки, или конечное показание помола остается стабильно высоким. Операторы добавляют больше диспергатора, продлевают цикл или повышают скорость, но партия по-прежнему демонстрирует полосы, агломераты или нестабильную вязкость. Во многих из этих случаев формулировка – это не первое, на что следует обращать внимание. Смеситель может быть не в состоянии поддерживать движение материала высокой вязкости через зону с высоким сдвигом.
По мере увеличения содержания твердых веществ и уменьшения доступности жидкой фазы продукт переходит из жидкости с низкой вязкостью в пасту, гель или тиксотропную массу. В этом случае одновальному смесителю приходится выполнять две противоречивые задачи: циркулировать всю партию и создавать интенсивный локальный сдвиг. Гидравлический двухвальный диспергатор решает эту проблему, конфликтуя с отдельными валами для смешивания и диспергирования, но эта концепция работает только тогда, когда машина, емкость и процесс соответствуют материалу.
Настоящее узкое место в дисперсиях высокой вязкости
При низкой вязкости высокоскоростной диск может вытягивать материал из партии и создавать видимый вихрь. При высокой вязкости тот же диск может образовать только локальную полость. Объемный материал за пределами зоны диска может оставаться практически неподвижным, поэтому порошок, добавленный на поверхность, не переносится в поле сдвига. Предел текучести и утончение при сдвиге усугубляют проблему: материал легко движется вблизи рабочего колеса, а в других местах ведет себя как твердое тело.
Поэтому один вал является компромиссом. Большое рабочее колесо обеспечивает объемный оборот, но низкий локальный сдвиг. Небольшой высокоскоростной диск обеспечивает сильный сдвиг, но ограниченную накачку. Увеличение скорости вала для компенсации часто приводит к повышению температуры, втягиванию воздуха в партию и созданию узкой активной зоны, а не однородного продукта. В результате получается партия, которая сверху может выглядеть смешанной, но при этом скрывать агломераты у стенок или внизу.
Энергия сама по себе не решает проблему потока. Смеситель может потреблять большую мощность, в то время как большая часть партии остается за пределами активной зоны, поскольку мощность концентрируется возле рабочего колеса. Вот почему две машины с одинаковой установленной мощностью могут давать разные результаты. Полезные вопросы заключаются в том, где применяется сдвиг, как часто материал проходит через него и достаточно ли силен объемный поток, чтобы освежить зону. Конструкция с двумя валами ценна, поскольку она улучшает эти три условия, не создавая чрезмерного нагрева или вовлечения воздуха.
Симптомы обычно появляются перед окончательным испытанием качества. Порошок может накапливаться на стенках сосуда, валу или поверхности партии. Миксер может звучать стабильно, в то время как на продукте наблюдаются цветные полосы, изменение блеска, крупные частицы на шкале помола или вязкость, которая меняется от партии к партии. В более серьезных случаях локальный перегрев может повредить термочувствительные ингредиенты или вызвать потерю растворителя.
Это также помогает отделить дисперсию от измельчения. Диспергатор смачивает порошки, разрушает рыхлые агломераты, распределяет частицы и помогает стабилизировать суспензию. Это не обязательно уменьшает размер первичных частиц твердых кристаллов или пигментов. Если цель требует истинного измельчения, после диспергирования может потребоваться шаровая мельница или другой этап измельчения. Ожидание, что диспергатор выполнит эту работу, может привести к чрезмерному времени цикла и нереалистичным характеристикам.
Добавление времени не является надежным решением. Когда агломерат полностью смачивается и стабилизируется, дополнительное перемешивание мало что может его разрушить. Если партия уже загустела или образовала устойчивую пену, большее усилие сдвига может усугубить проблему. Практический вопрос заключается в том, может ли смеситель достаточно быстро, при контролируемой температуре, обмениваться материалом между основной массой и зоной с высоким сдвигом, прежде чем состав начнет разлагаться.
Как работает гидравлический двухвальный диспергатор
Гидравлический двухвальный диспергатор использует два вала в одном резервуаре. На одном валу обычно находится тихоходное рабочее колесо для перемещения масс; другой оснащен высокоскоростным диспергирующим элементом для локализованного сдвига. TENCAN гидравлический двухвальный диспергатор относится к этому классу оборудования. Гидравлическая система на машинах этого типа обычно используется для подъема и позиционирования вала, что облегчает доступ к резервуару, очистку и обработку партий различной высоты. Точная геометрия вала, диапазоны скоростей и комплект управления должны быть подтверждены поставщиком для каждого применения.
Тихоходный вал представляет собой систему объемного потока. В зависимости от материала может использоваться форма якоря, ворот, спирали или весла. Его задача не в том, чтобы создать тончайшую дисперсию; это поддерживать движение всей партии, подталкивать материал к высокоскоростному валу и предотвращать застой слоев у стенок и днища. В продукте с высоким содержанием твердых частиц именно такое объемное движение делает зону с высоким сдвигом эффективной. Без него диспергатор работает только с тем материалом, который попадает на диск.
Высокоскоростной вал обеспечивает диспергирующее действие. Пилообразный диск или аналогичный элемент с высоким сдвиговым усилием создает высокие градиенты скорости вблизи зубьев и кончика. Самый сильный сдвиг наблюдается вблизи рабочего колеса, а не по всему сосуду. Скорость наконечника, диаметр диска, геометрия зубьев и глубина погружения — все это влияет на то, сколько энергии достигает агломератов. Высокоскоростной вал также перекачивает материал радиально и может создавать вихри при низкой вязкости. В вязких партиях картина потока другая, и большее значение приобретает объемное рабочее колесо.
Гидравлический подъемник меняет способ использования машины. Опускание валов на нужную глубину помещает высокоскоростной элемент в рабочую зону, не позволяя ему опускаться слишком близко к дну. Поднятие каретки обеспечивает доступ для замены сосудов, осмотра и чистки. Это также может позволить оператору регулировать погружение при изменении уровня партии. Безопасная работа зависит от защитных ограждений, ограничений и процедур, предотвращающих движение во время работы валов или в то время, когда персонал находится рядом с судном.
Гидравлическая двухвальная конструкция отделяет массовое смешивание от диспергирования с высоким усилием сдвига, поэтому каждая функция может быть адаптирована к партии.
Конфигурация имеет большее значение, чем этикетка. В некоторых машинах используются фиксированные положения вала; другие позволяют смещать высокоскоростной вал или независимо регулировать скорость. Некоторые из них поставляются с вакуумом, рубашкой или опциями для очистки сосудов. Каждый выбор влияет на структуру потока и достижимую дисперсию. Двухвальную машину с независимым регулированием скорости можно настроить на продукт с изменяющейся вязкостью во время партии, но оператору все равно нужна процедура, определяющая, когда каждый вал должен работать и с какой скоростью.
Потребляемая мощность — полезный индикатор, но его следует рассматривать вместе с вязкостью и уровнем партии. Увеличение потребляемой мощности может означать, что шихта становится более вязкой, диспергатор работает с более тяжелой массой или шахта слишком глубока. Падение потребляемой мощности может означать, что продукт разжижается, вал потерял контакт с массой или уровень партии упал. Операторам следует регистрировать мощность в определенных точках партии и сравнивать тенденции, а не полагаться на одно предельное значение.
Класс оборудования также имеет ограничения. Это не смеситель для сухого порошка и не замена шаровой мельнице, когда требуется истинное измельчение частиц. Он может плохо подходить для продуктов с очень низкой вязкостью, где простой высокоскоростной диспергатор уже обеспечивает достаточный поток, или для высокоабразивных систем, где защита от износа и контроль загрязнения требуют другой конструкции. Эти ограничения следует обсуждать до определения размеров машины, а не после первой партии.
Где два вала выполняют разную работу
В хорошо спроектированной двухвальной системе три зоны работают вместе. Объемная зона рядом с тихоходным рабочим колесом обеспечивает движение массы. Зона с высоким сдвигом вблизи диспергирующего элемента разрушает агломераты и создает свежую поверхность для смачивания. Переходная зона — это место обмена материалами между ними. Если переход слабый, высокоскоростной вал может работать с большой мощностью, в то время как лишь небольшая часть партии подвергается сдвигу. Видимый результат — длинный цикл и непостоянная дисперсия.
Порядок добавления является частью системы смешивания. Порошок следует добавлять в количестве, которое может поглотить объемный поток. Если порошок высыпается на поверхность быстрее, чем он успевает смочить, он может образовать пленку, оседать в виде сухих карманов или накапливаться на стенках сосуда. Низкоскоростной вал должен вращаться до того, как высокоскоростной вал достигнет скорости распыления, а высокоскоростной вал должен быть расположен так, чтобы он втягивал смоченный материал, а не вращался в сухом или полусухом кармане. Эти детали часто имеют большее значение, чем небольшое изменение скорости.
Если доступно независимое управление скоростью, два вала могут иметь разные профили во время партии. На ранних стадиях может потребоваться больший объемный поток и умеренный сдвиг для включения. На этапе диспергирования может потребоваться более высокий сдвиг, когда порошок смачивается и партия становится однородной. Для разбавления может потребоваться массовое смешивание с ограниченным усилием сдвига, чтобы избежать вовлечения воздуха или повышения температуры. Машина с фиксированной скоростью все еще может работать, но последовательность добавления и уровень заполнения необходимо выбирать более тщательно.
Положение вала относительно сосуда также важно. Смещенный от центра высокоскоростной вал может создавать картину потока, отличную от центрированной. Слишком близко к стене диск может изнашивать стену или создавать за ней мертвую зону. Слишком близкое расположение ко дну может привести к повреждению сосуда или невозможности забора материала сверху. Правильное положение зависит от диаметра рабочего колеса, диаметра резервуара, высоты заполнения и реологии продукта. Его следует проверять во время ввода в эксплуатацию и после любого изменения размера партии.
Двухвальная компоновка не исправляет плохо подобранное судно. Если сосуд слишком широк для тихоходного рабочего колеса, слои стенок могут остаться неподвижными. Если дно сосуда неправильно вогнуто или плоско, нижний слой может не обменяться с основной массой. Если высокоскоростной вал расположен там, где основной поток никогда не достигает, он будет многократно рассеивать один и тот же небольшой объем. Перед заказом машины необходимо просмотреть чертежи резервуара, диаметры рабочего колеса и рабочие уровни.
Переменные процесса, влияющие на качество дисперсии
Вязкость и загрузка твердых веществ
Вязкость не является единственным показателем в тиксотропном продукте. Он меняется в зависимости от скорости сдвига, времени, температуры и количества смоченного порошка. Состав, который легко смешивать при 50 процентах сухих веществ, может стать другим материалом при 65 процентах, даже если жидкая фаза не изменится. Машину необходимо выбирать с учетом самой высокой вязкости, которую она может наблюдать во время партии, а не только с учетом окончательной вязкости при понижении вязкости. Партиям с высоким содержанием сухих веществ также требуется достаточное количество свободной жидкости для смачивания нового порошка; в противном случае миксеру предлагается распределить сухую фазу через пасту.
Поток, скорость и геометрия
Скорость наконечника полезна для сравнения диспергаторов, но она не является полным описанием процесса. Два диска с одинаковой скоростью вращения, но разными диаметрами создают разные истории сдвига и разные схемы накачки. Также имеет значение количество проходов через зону высокого сдвига. Маленький диск на высокой скорости может вызвать интенсивный локальный сдвиг, но если объемный поток плохой, большая часть партии может никогда не попасть в эту зону. Практической целью является не максимальная скорость; достаточно усилия сдвига, наносится равномерно, без перегрева и дестабилизации состава.
Глубина погружения контролирует взаимодействие диска с замесом. Если диск будет работать слишком высоко, он может разбрызгиваться, захватывать воздух или не сможет перекачивать материал из нижней части резервуара. Если он будет работать слишком низко, это может не создать желаемую картину потока и может повредить дно. Правильная глубина меняется в зависимости от уровня наполнения и вязкости. Во время замеса оператор должен убедиться, что высокоскоростной вал полностью погружен и что крыльчатка перемещает материал от стенки и дна в активную зону.
Геометрия сосуда влияет как на сдвиг, так и на оборот. Зазор между тихоходным рабочим колесом и стенкой влияет на обмен стенок; расстояние между высокоскоростным диском и дном влияет на донный поток. Изменение формы сосуда может изменить результат, даже если рецептура и скорость вала не изменились. При масштабировании между сосудами учитывайте важные соотношения, но проверяйте их пробным путем. Изменения геометрии, которые на чертеже кажутся незначительными, могут создать новую мертвую зону в вязком продукте.
Добавление, температура и воздух
Скорость добавления порошка является одной из наиболее распространенных причин проблем с дисперсией. Быстрое добавление может привести к переполнению доступной жидкости, образованию комков с сухим ядром и увеличению нагрузки на диспергатор. Медленное добавление требует времени, но обеспечивает более равномерное смачивание. Правильная скорость зависит от объемной плотности порошка, обработки поверхности и склонности к агломерации. В некоторых продуктах добавление порошка под вакуумом или с помощью контролируемого дозатора улучшает консистенцию. В других случаях более эффективно предварительное диспергирование порошка в жидкости-носителе.
За температурой необходимо следить, потому что механическая энергия становится теплом. Дисперсия с высоким сдвигом может быстро повысить температуру партии, особенно в вязком продукте с плохой теплопередачей. Это может быть приемлемо для прочного состава, но может повредить чувствительные к температуре полимеры, поверхностно-активные вещества или пигменты. В этом могут помочь кожух, контролируемая скорость вала и поэтапное добавление. Датчик температуры должен измерять продукт, а не только куртку, а протокол партии должен показывать максимальную температуру, достигнутую во время диспергирования.
Воздух – еще одна скрытая переменная. Вихрь может захватывать воздух с низкой вязкостью, тогда как паста с высоким содержанием твердых частиц может задерживать воздух во время добавления порошка. Пена или захваченные пузырьки могут выглядеть как плохая дисперсия на измерительном приборе и могут влиять на плотность, проводимость или внешний вид покрытия. Работа с вакуумом, более медленное добавление и соответствующее погружение вала могут уменьшить захват воздуха. Правильное решение зависит от того, попадает ли воздух на поверхность, вместе с порошком или через негерметичное уплотнение.
Размер партии и уровень заполнения влияют на структуру потока так же, как и на рецептуру. Слишком наполненное судно может ограничить движение на поверхности и увеличить риск разлива. Слишком пустой сосуд может привести к тому, что высокоскоростной вал окажется в плохом положении для перекачивания или оставит объемное рабочее колесо частично открытым. В ходе испытаний в уменьшенном масштабе по возможности следует использовать ту же геометрию и коэффициент заполнения, что и в предполагаемом производственном резервуаре. Если геометрия не может быть сопоставлена, процедуру скорости и сложения следует восстановить, а не копировать напрямую.
Выбор правильной конфигурации материала
Выбор начинается с прописанного режима работы, а не с одного значения вязкости. Определите размер партии, рабочий объем, максимальную и низкую вязкость во время процесса, загрузку твердых веществ, скорость добавления порошка и целевую дисперсию. Укажите, является ли продукт ньютоновским, разжижающимся при сдвиге, тиксотропным или склонным к пределу текучести. Укажите максимальную температуру, необходимый вакуум или давление, метод очистки и конструкционные материалы. Эти входные данные определяют, подходит ли конструкция с двумя валами и как следует расположить валы.
Детали, контактирующие с рабочей средой, и уплотнения заслуживают раннего внимания. Продукт может быть коррозионным, абразивным или чувствительным к металлическим загрязнениям. Эластомеры должны быть совместимы с жидкой фазой и чистящими средствами. Уплотнения вала должны выдерживать вязкость продукта, вакуум и воздействие растворителей. Гидравлическая система добавляет еще одну границу технического обслуживания: шланги, фитинги и масло должны находиться вдали от продукта, а подъемная система должна быть работоспособной, не нанося ущерба зоне смешивания. Поставщик должен подтвердить фактические материалы и опции для предполагаемого применения.
Гидравлический подъемник должен соответствовать судну и рабочему процессу. Ход должен быть достаточным, чтобы поднять валы над партией для очистки и замены сосудов. Каретка должна быть устойчива на рабочей высоте и не должна смещаться во время работы. Органы управления должны предотвращать вращение вала, если каретка не находится в безопасном положении, а система должна включать ограждения и четкие точки блокировки. Это практические детали, но они влияют на время простоя, безопасность оператора и риск загрязнения продукта.
Расположение шахты, доступ к лифту и геометрия сосуда должны рассматриваться вместе во время выбора.
Двухвальный диспергатор не является автоматически правильным выбором для каждого продукта с высокой вязкостью. Одного высокоскоростного диспергатора может быть достаточно для получения продукта с низкой вязкостью или продукта, который легко смачивается. Планетарный миксер лучше подойдет для очень густой пасты, которую невозможно перекачивать с помощью крыльчатки. Шариковая мельница может потребоваться, когда целью является узкий гранулометрический состав, которого можно достичь только с помощью дисперсии. Решение должно соответствовать задаче смешивания: объемный поток, смачивание, деагломерация, теплопередача и очистка. TENCAN гидравлический двухвальный диспергатор следует оценивать по этим задачам, а не по одному показателю скорости или мощности.
Значимое испытание должно воспроизводить последовательность добавления продукции, а не только окончательную формулировку. Запишите скорость вала, скорость наконечника, если таковая имеется, время добавления, температуру партии, уровень вакуума и визуальные наблюдения. Тестируйте продукт в нескольких точках, а не только в конце. Тест на степень помола, реологию, цвет, блеск или фильтрацию может показать, является ли дисперсия однородной. Если испытание требует более длительного цикла, чем ожидалось, проверьте структуру потока, прежде чем увеличивать скорость; Большая скорость может скрыть проблему с массовым потоком, одновременно добавляя тепло и воздух.
Средства контроля должны делать процесс повторяемым, а не просто возможным. Полезные записи включают скорость вала, потребляемую мощность, температуру партии, уровень вакуума, время добавления и точку начала каждого этапа. Контроль рецептуры может помешать операторам пропускать этап низкой скорости или повышать скорость диспергатора до того, как порошок смачивается. Если машина используется для нескольких продуктов, статус контроля доступа и очистки должен быть четким. Пакет управления должен соответствовать реальному рабочему процессу; сложная система рецептов не может компенсировать плохо подобранный сосуд или непостоянную подачу порошка.
Масштабирование, очистка и проверки технического обслуживания
Масштабирование не может рассчитывать на поддержание той же частоты вращения. Диск большего размера имеет более высокую скорость наконечника при той же скорости вала, а сосуд большего размера имеет другое время циркуляции и площадь теплопередачи. В зависимости от механизма управления при масштабировании можно использовать постоянную скорость наконечника, постоянную мощность на единицу объема или комбинацию критериев. Выбор должен быть проверен на продукте, поскольку изменение, сохраняющее сдвиг, может не сохранить объемный поток. Пилотные партии следует одновременно оценивать по качеству дисперсии, повышению температуры и времени цикла.
Очистка упрощается, если к машине предусмотрен доступ. Гидравлический подъемник должен поднять валы в такое положение, чтобы можно было осмотреть и очистить рабочие колеса, вал и резервуар. Мертвые зоны вокруг уплотнений, манжет вала и дна сосуда должны быть доступны. Если продукт часто меняется, возможность очистки и риск перекрестного загрязнения могут быть столь же важны, как и эффективность дисперсии. Проверка очистки должна включать гидравлическую зону, а не только части, контактирующие с продуктом, поскольку утечки масла или захваченный материал могут создать отдельный риск.
Проверки технического обслуживания должны быть сосредоточены на деталях, влияющих на поток и качество продукции. Осмотрите рабочие колеса на предмет износа, деформации или ослабления крепления. Проверьте биение вала и соосность муфты. Ищите утечки через уплотнения, утечки гидравлического масла и поврежденные шланги. Убедитесь, что подъемник удерживает положение и работают концевые выключатели. Изменение потребляемой мощности, вибрации или времени замеса может быть ранним признаком износа или изменения продукта. Эти записи более полезны, чем разовая проверка, поскольку они показывают тенденции.
Устранение неполадок следует начинать с потока, а не скорости. Если продукт крупнозернистый, перед окончательной проверкой измельчения проверьте, попадает ли порошок в зону высокого сдвига и является ли партия однородной. Если партия перегревается, проверьте скорость добавления и погружение вала, прежде чем сокращать время диспергирования. Если присутствует воздух, проверьте движение поверхности и способ подачи порошка. Эти проверки отделяют проблему рецептуры от проблемы машины или процедуры и предотвращают ненужные изменения рецептуры.
Проверки безопасности должны охватывать как изделие, так и гидравлическую систему. Ограждения вала, аварийные остановки и концевые выключатели должны быть работоспособными. Перед любыми работами вблизи шахт лифт следует заблокировать, а судно зафиксировать от перемещения. Гидравлические шланги следует прокладывать вдали от горячих поверхностей и зон доступа оператора. Обучение должно включать в себя то, что делать, если валы заглохли, подъемник сместился или протекло уплотнение. Эти процедуры защищают людей, а также предотвращают превращение небольших неисправностей в потери партии.
Прежде чем выбирать гидравлический двухвальный диспергатор, согласуйте процесс с поставщиком, используя фактический материал, предполагаемую последовательность добавления и метод очистки. Машину следует выбирать для самой сложной части партии, а не для легкого финального разочарования. Хорошо подобранная система позволяет оператору контролировать объемный поток и сдвиг, не превращая каждую партию в испытание.